FUNDAMENTOS DE INFORMÁTICA

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1 E. U. Politécnica Ingeniería Técnica Industrial FUNDAMENTOS DE INFORMÁTICA TEMA 5 ALGORITMOS Y PROGRAMAS 1. Introducción 2. El ciclo de vida del software 3. Definición del problema 4. Diseño del algoritmo 4.1. Concepto de algoritmo 4.2. Métodos de representación de algoritmos 4.3. Metodología de diseño 5. Codificación 5.1. Características de los programas. Programación estructurada 6. Lenguajes de programación 6.1. Definición 6.2. Clasificación de los lenguajes de programación 6.3. Traductores: compiladores e intérpretes. 7. Informes propuestos en este tema INTRODUCCIÓN Hemos visto cómo se relacionaban entre sí los distintos componentes hardware de una computadora. Pero todo este hardware resulta prácticamente inútil si no tiene software que le indique lo que tiene que hacer. Necesitamos aprender técnicas de programación para utilizar la computadora como una herramienta para resolver problemas. Qué ventajas aporta el uso del ordenador para la resolución de problemas? Un buen número de problemas conlleva cálculos complicados o manejo de grandes cantidades de datos. En el primer caso, el riesgo de equivocarse es grande, y en el segundo, el trabajo se convierte en pesado y rutinario. Mediante el uso de la computadora se eliminan estos inconvenientes debido a las capacidades de la misma, basadas en las siguientes características: precisión, rapidez y memoria.

2 Pero el ordenador por sí mismo no puede analizar un problema y dar directamente su solución. El programador deberá describir al ordenador con detalle y en una forma entendible para la máquina, todos los pasos que debe seguir para resolver el problema. Una descripción de este tipo es un programa y su objetivo es dirigir el funcionamiento de la máquina. 1. CICLO DE VIDA DEL SOFTWARE En general, para crear cualquier aplicación software, hemos de seguir las siguientes fases, que constituyen el ciclo de vida del software: 1. Fase de definición: Se analiza el problema que se pretende resolver. 2. Fase de desarrollo: Se lleva a cabo el diseño de los programas y la documentación asociada a los mismos. Se divide a su vez en tres fases: 2.1. Diseño: Debemos obtener un producto software que cumpla con los requisitos establecidos en la fase anterior. Para ello, antes de codificar debemos diseñar -en esta fase- la estructura adecuada para el mismo. Esto consiste en diseñar el algoritmo que resuelva el problema Codificación: Plasmamos el diseño de la fase anterior en programas escritos en un lenguaje de programación adecuado, dependiendo del tipo de aplicación. Si el diseño se ha hecho correctamente y de forma detallada, la codificación puede realizarse mecánicamente, es decir, sería un simple proceso de traducción Prueba: Consiste en comprobar si hemos construido el software que se deseaba, es decir, comprobar que los programas: o se corresponden con el diseño, o realizan correctamente sus funciones, y o satisfacen los requisitos indicados. 3. Fase de mantenimiento: En ella se realizan las mejoras y correcciones del software desarrollado, durante su tiempo de vida útil, debido fundamentalmente a: o la existencia de errores, o la necesidad de adaptar el software (nuevo Sistema Operativo, nueva máquina específica, etc.), o nuevas necesidades del cliente que requiere aumentos funcionales o de rendimiento del software. Teniendo en cuenta el tipo de aplicaciones que se desarrollarán en este curso, aplicar el ciclo completo supondría un esfuerzo no justificado por la poca complejidad de los problemas a los que nos vamos a enfrentar. Es por esto por lo que diseñaremos programas siguiendo, al menos, los siguientes pasos: 1. Fase de definición del problema. 2. Fase de desarrollo Diseño de una solución general del problema (algoritmo) Transformación de esta solución general (algoritmo) en una solución específica (programa). Generalmente estos pasos se incrementan para incluir: una prueba del algoritmo para detectar errores en el mismo y corregirlos antes de avanzar en el proceso,

3 una prueba y verificación del programa que permita ver que el programa realmente hace la tarea adecuada de la forma correcta, y una etapa de mantenimiento en la que se realizarán mejoras en el programa y/o se corregirán posibles errores detectados en el uso del mismo. 2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Para definir con precisión un problema es necesario identificar los datos de entrada. De igual manera se deben especificar los datos de salida. En definitiva, se debe responder a estas dos preguntas: Qué datos se necesitan para resolver el problema? Qué información necesitamos que nos proporcione el usuario para poder obtener una solución al problema? Qué información debe proporcionar la resolución del problema? Cuál es la información que debemos dar como salida? Es conveniente en este punto, intentar ver la relación existente entre las entradas y las salidas. Es importante definir bien el problema para obtener una correcta solución del mismo. 3. DISEÑO DEL ALGORITMO 3.1. Concepto de algoritmo. Características Un algoritmo es un método para resolver un problema. Más exactamente, es un conjunto finito de acciones primitivas que dan una secuencia de operaciones para resolver un tipo específico de problema. Por acciones primitivas entendemos aquellas que el procesador (el que ejecuta el algoritmo) es capaz de ejecutar sin necesidad de información suplementaria. Un algoritmo debe cumplir las siguientes condiciones: Ser finito, acabar siempre tras un número finito de pasos. Si el algoritmo nunca acaba, no obtendremos ninguna solución y, como se ha señalado, el objetivo principal de un algoritmo es obtener la solución de un problema. Estar definido. Para ello debe estar compuesto por un conjunto ordenado de acciones, especificadas en cada caso rigurosamente y sin ambigüedad. De esta forma se cumplirá que si se sigue el algoritmo dos veces con los mismos datos de entrada, se obtendrán los mismos datos de salida. Llegados a este punto, podemos preguntarnos, cuál es la diferencia entre programa y algoritmo? Para que una computadora resuelva un problema según un algoritmo éste tiene que ser convertido en un programa traduciéndolo a algún lenguaje de programación concreto. Los algoritmos no son directamente interpretables por la computadora, pero tienen la ventaja de que son independientes de cualquier lenguaje de programación. A la hora de escribir un algoritmo es importante considerar los siguientes aspectos: Lenguaje simbólico a utilizar para desarrollar el algoritmo. Representación de los datos. Determinación de las primitivas de las que partimos.

4 Establecer datos de entrada. Establecer datos de salida. Establecer las relaciones entre los datos de entrada y los de salida. Ejemplo: calcular la longitud de una circunferencia y el área del círculo que limita dada la longitud de su radio. Determinación de las primitivas de las que partimos: Operaciones aritméticas simples Lenguaje simbólico a utilizar para desarrollar el algoritmo: Lenguaje de representación de expresiones aritméticas Representación de los datos: Cadenas de caracteres para las incógnitas Números reales Establecer datos de entrada: Radio de la circunferencia (radio) Establecer datos de salida: Longitud de la circunferencia (longitud) Área del círculo (area) Establecer las relaciones entre los datos de entrada y los de salida: longitud = 2 * * radio area = * radio * radio 3.2. Métodos de representación de algoritmos. Podemos expresar un algoritmo, básicamente con dos tipos de métodos: Método informal, como por ejemplo, el lenguaje natural. De esta forma, describiremos un algoritmo como si contáramos a otra persona los pasos que ha de seguir para resolver un problema dado. Este método tiene una ventaja y desventaja importantes: Por una parte, el lenguaje natural, es fácilmente comprensible para todos, es la forma más intuitiva de describir un método para resolver un problema. Por otra, las acciones expresadas a través de él pueden no tener un significado preciso y por tanto el algoritmo correspondiente puede no estar definido, por lo que no es una forma de descripción aconsejable. Es preferible usar cualquiera de los métodos formales que se señalan a continuación. Métodos formales, entre los que destacamos: Un lenguaje específico de descripción de algoritmos o pseudocódigo. Su uso hace que el paso de un algoritmo a un programa sea relativamente fácil. Podríamos decir que se trata de un lenguaje natural limitado y sin ambigüedad. Por su limitación se consigue expresar el conjunto de pasos que resuelven un problema, en función de las estructuras de control básicas. Su no ambigüedad hace que el método sea preciso. Diagramas de flujo u organigramas. Es un método de representación, que utiliza un conjunto de símbolos de forma que, cada paso del algoritmo se visualiza dentro del símbolo adecuado y el orden en que se realizan los pasos se representa mediante líneas de flujo que indican el flujo lógico del algoritmo Metodología de diseño

5 La fase de diseño es la fase de resolución del problema, es aquí donde el programador debe diseñar un algoritmo. En un principio no se utilizaba ninguna metodología para realizar este diseño. Prescindir de metodología puede acarrear problemas como: Rigidez e inflexibilidad de los programas. Pérdida excesiva de tiempo en la corrección de errores. Documentación deficiente. Imposibilidad de reutilización de código. De ahí que sea recomendable usar alguna metodología al diseñar un algoritmo (y el programa correspondiente). En programación, al igual que en otros contextos, la resolución de un problema se facilita notablemente si éste se divide en subproblemas, a continuación éstos se descomponen en subproblemas más simples, y así sucesivamente hasta que los problemas más pequeños sean fáciles de resolver. Al método de diseño que obtiene la solución de un problema mediante la solución de sus subproblemas, se le denomina diseño descendente, y a cada uno de los algoritmos que resuelven un subproblema, se les conoce como subalgoritmos. En el diseño de un algoritmo (o de un subalgoritmo), inicialmente sólo se indicarán las tareas más importantes que se deben realizar para resolver el problema (o subproblema). Generalmente esta primera descripción es incompleta y debe ser refinada, por lo que este proceso se completará para indicar de forma más precisa los pasos a seguir. Algunos de estos pasos pueden requerir un refinamiento adicional que nos llevará a una tercera descripción del algoritmo. Este proceso, denominado refinamiento por pasos, continuará hasta que se obtenga un algoritmo claro, preciso y completo. Por tanto, al diseñar algoritmos aplicaremos las dos técnicas mencionadas anteriormente: diseño descendente (ya que se descompondrá el problema en subproblemas) y refinamiento por pasos (puesto que de forma sucesiva iremos incrementando el nivel de detalle de las descripciones del algoritmo). El diseño descendente proporciona varias ventajas al diseño de algoritmos y programas: Se simplifica el problema, algoritmo y programa resultantes. Las soluciones a los diferentes subproblemas pueden ser diseñadas de forma independiente e incluso por diferentes personas. El algoritmo y el programa final estará estructurado en módulos, lo que hará más fácil su lectura, comprensión, prueba, verificación y mantenimiento. 4. CODIFICACIÓN Una vez analizado el problema y diseñado el algoritmo, es necesario expresarlo según un lenguaje de programación para así convertirlo en un programa y ejecutarlo, obteniendo la solución al problema. El proceso de transformación de un algoritmo en un programa se denomina codificación ya que al algoritmo traducido a un lenguaje de programación específico se le denomina código. Este proceso es, en general, una tarea mecánica. Tras la codificación el programa se ejecutará y se realizará la prueba y verificación del mismo para comprobar que el programa realiza la función adecuada y de la forma correcta.

6 4.1. Características de los programas. Programación estructurada Para un determinado problema se pueden diseñar distintos algoritmos y, consecuentemente, distintos programas. La elección del algoritmo más adecuado se puede basar en una serie de características que adquieren gran importancia a la hora de evaluar el coste de diseño y mantenimiento. Las características generales que debe reunir un programa (y por tanto su algoritmo) son las siguientes: 1. Legibilidad. Es importante que todo programa sea fácil de leer y entender. 2. Portabilidad. El diseño del algoritmo debe permitir la codificación en cualquier lenguaje de programación, así como la instalación del programa en distintos sistemas. 3. Modificabilidad. Debe ser fácil realizar modificaciones y actualizaciones sobre el programa, es decir, debe ser fácil realizar el mantenimiento del mismo. 4. Eficiencia. Se debe aprovechar al máximo los recursos del ordenador, especialmente la memoria utilizada. De igual forma, se debe minimizar el tiempo de ejecución. 5. Modularidad. El programa debe estar dividido de una forma inteligente en módulos, cada uno de los cuales realice una parte del proceso de resolución del problema. 6. Estructuración. El programa debe cumplir las reglas de la Programación Estructurada, para facilitar la depuración y mantenimiento del mismo. En qué consiste la Programación Estructurada? Bajo el nombre de Programación Estructurada se incluye un conjunto de técnicas que aumentan la productividad de un programa, reduciendo bastante el tiempo requerido para escribir, verificar, depurar (quitar errores) y mantener los programas. La programación estructurada utiliza un número limitado de estructuras de control que minimizan la complejidad de los problemas y por tanto reducen los errores. Se basa en el teorema de BOHM- JACOPINI que afirma que cualquier programa, por complejo que sea, puede escribirse utilizando tan sólo estas tres estructuras de control: secuencial, selectiva y repetitiva. Un programa estructurado por tanto, no contendrá instrucciones de salto. 5. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Definición Para que un computador (hardware) funcione es necesario utilizar programas (software), los cuales le indican cuál es la tarea que se tiene que hacer. Un lenguaje de programación es el que se utiliza para escribir dichos programas. Posteriormente estos se introducirán en la memoria del computador y éste último ejecutará todas las operaciones que se incluyen. Los lenguajes de programación constan de: Un conjunto finito de símbolos, a partir del cual se define el léxico o vocabulario del lenguaje. Un conjunto finito de reglas, la gramática del lenguaje, para la construcción de las sentencias correctas del lenguaje. (Sintaxis).

7 Semántica, que asocia un significado (la acción que debe llevarse a cabo) a cada posible construcción del lenguaje. Así, podemos decir que un lenguaje de programación consta de un conjunto de símbolos y un conjunto de reglas válidas para componerlos, de forma que formen un mensaje con significado para el computador Clasificación de los lenguajes de programación Existen distintas clasificaciones de los lenguajes de programación atendiendo a diversos criterios. Una de las clasificaciones más utilizadas es la que divide los lenguajes atendiendo al nivel de proximidad al sistema utilizado por el procesador. En ese caso, de más bajo nivel a más alto se pueden clasificar los lenguajes de programación en: Lenguaje máquina. Lenguaje ensamblador. Lenguajes de alto nivel. Veremos más adelante las características, ventajas e inconvenientes de estos tres tipos de lenguajes. Otra clasificación importante es la que se hace según el estilo de programación. En este caso los lenguajes se dividen en imperativos y declarativos. También comentaremos las características más importantes de los lenguajes según esta división Lenguaje Máquina Los ordenadores sólo entienden un lenguaje específico para cada máquina, que se denomina Código Máquina o Lenguaje Máquina. Este lenguaje utiliza un código binario (símbolos "0" y "1"). Las órdenes que se dan a un ordenador han de ir codificadas en instrucciones, y estas forman los programas. Las instrucciones tienen dos partes diferenciadas: código de operación y código(s) de operando(s). En la primera, se codifica la operación que realiza la instrucción. Este código de operación siempre es único para cada instrucción. En la segunda, se indica(n) la(s) dirección(es) de memoria en la que se encuentra el operando, hasta un máximo de tres, sobre el/(los) que se aplicará la operación. Puesto que cada tipo de ordenador tiene su código máquina específico, para programar en este lenguaje el programador debe conocer la arquitectura física de la computadora con cierto detalle (registros de la CPU, palabras de memoria,...). La estructura del lenguaje máquina está totalmente adaptada a los circuitos de la computadora y muy alejada del lenguaje que empleamos normalmente. Las ventajas de los lenguajes máquina son: Un programa escrito en lenguaje máquina es directamente interpretable por el procesador central. Una vez introducido el programa en la memoria principal de la computadora, no se necesitan transformaciones previas para ser ejecutado. Los programas escritos en lenguaje máquina se ejecutan muy eficientemente (con rapidez), debido a que el usuario lo redacta específicamente para los circuitos que lo han de interpretar y ejecutar. Por contra, los lenguajes máquina tienen los siguientes inconvenientes: Las instrucciones son cadenas de ceros y unos, aunque estas cadenas se pueden introducir en la computadora mediante un código intermedio (octal o hexadecimal).

8 Los datos se utilizan por medio de las direcciones de memoria donde se encuentran. El repertorio de instrucciones suele ser muy reducido y las instrucciones realizan operaciones muy simples. Las instrucciones tiene un formato muy rígido. El lenguaje máquina depende y está ligado íntimamente a la CPU del computador. Esto hace que los programas redactados en este lenguaje de programación sean poco transferibles o transportables de una computadora a otra. En un programa en código máquina, no pueden incluirse comentarios que faciliten la legibilidad del mismo. Además, debido a su representación totalmente numérica, es muy difícil de reconocer o interpretar por el usuario Ensambladores Los lenguajes ensambladores permiten al programador: Escribir las instrucciones utilizando, en vez de códigos binarios o intermedios, una notación simbólica para representar los códigos de operación. Normalmente los códigos están constituidos por tres o cuatro letras que, en forma abreviada, indican la operación a realizar. Por ejemplo: ADD (suma), SUB (sustracción), MOV (movimiento), NOT (negación lógica), CALL (llamada a un subprograma), RET (retorno de subprograma), etc. Utilizar, para los datos, direcciones simbólicas de memoria en lugar de direcciones binarias absolutas. Las instrucciones escritas en este lenguaje, guardan una estrecha relación con las instrucciones del lenguaje máquina en que posteriormente serán traducidas. Este tipo de lenguajes hace corresponder a cada instrucción en ensamblador una instrucción en código máquina. Incluir líneas de comentarios entre las líneas de instrucciones. Un programa en ensamblador no puede ejecutarse directamente por la computadora, siendo necesario ser traducido (ensamblado) previamente. El traductor de lenguaje ensamblador a lenguaje máquina se denomina ensamblador. El ensamblador mejora o resuelve algunos de los problemas de los lenguajes máquina (como son el que las instrucciones sean cadenas de 1's y 0's, que no existen nombres de variables sino direcciones de memoria, o que no permiten comentarios), pero siguen persistiendo otras limitaciones (repertorio de instrucciones reducido, poca elasticidad para la redacción de instrucciones, o que está íntimamente ligado a la CPU de la computadora) Lenguajes de alto nivel Los lenguajes ensambladores se suelen denominar lenguajes de segunda generación, en contraposición a los lenguajes máquina, que fueron los de la primera generación. Los lenguajes de alto nivel se consideran lenguajes de tercera generación. Los lenguajes de alto nivel no obligan al usuario a conocer los detalles de la computadora que utiliza. Con estos lenguajes las operaciones se expresan con sentencias o frases muy parecidas al lenguaje matemático o al lenguaje natural, utilizados habitualmente por las personas (igual que para los ensambladores, predomina el uso de palabras o términos en inglés). Las características de los lenguajes de alto nivel son: Las instrucciones se expresan por medio de caracteres alfabéticos, numéricos y caracteres especiales (+, -, /, etc.). El usuario puede definir las variables que desee, dándoles los nombres que considere oportuno. La asignación de memoria para variables y constantes las hace directamente el traductor.

9 El repertorio de instrucciones es muy amplio. El programador puede definir sus instrucciones con una gran versatilidad, siendo las reglas o gramáticas de los lenguajes muy abiertas. Los lenguajes de alto nivel apenas dependen de la máquina. Así se garantiza la portabilidad de los programas. Pueden incluirse comentarios en las líneas de instrucciones, o puede haber líneas específicas de comentarios. Esto facilita la legibilidad de los programas, tanto para el propio programador, como para otras personas Lenguajes imperativos y declarativos Otra clasificación importante de los lenguajes, como se ha comentado anteriormente, se hace según el estilo de programación. En este caso los lenguajes se dividen en lenguajes imperativos y declarativos. Los lenguajes imperativos o procedurales se basan en la asignación de valores. Se fundamentan en la utilización de variables para almacenar valores y en la realización de operaciones con los datos almacenados. La mayoría de los lenguajes son de este tipo (FORTRAN, BASIC, COBOL, PASCAL, C, etc.). También entrarían en este grupo los lenguajes ensamblador y máquina. Los lenguajes declarativos están basados en la definición de funciones o relaciones. No utilizan instrucciones de asignación (sus variables no almacenan valores). Son los más fáciles de utilizar (no se requieren conocimientos específicos de informática), están muy próximos al hombre. Se suelen denominar también lenguajes de órdenes, ya que los programas están formados por sentencias que ordenan "qué es lo que se quiere hacer", no teniendo el programador que indicar a la computadora el proceso detallado (el algoritmo) de cómo hacerlo. En este grupo se incluyen ciertos lenguajes especializados en funciones tales como recuperación de la información en bases de datos (NATURAL e IMS), análisis de circuitos electrónicos (SPICE), y realización de cálculos estadísticos (BMDP, SPSS, SAS, etc.). Se dividen en lenguajes funcionales y lógicos. o Los lenguajes funcionales son un tipo de lenguajes declarativos, en los que los programas están formados por una serie de definiciones de funciones. Ejemplos de estos lenguajes son el LISP y el SCHEME. Se suelen aplicar a problemas de Inteligencia Artificial. o Los lenguajes lógicos son el otro tipo de lenguajes declarativos, y en ellos los programas están formados por una serie de definiciones de predicados. El mayor exponente es el lenguaje PROLOG. Se aplican sobre todo en la resolución de problemas de Inteligencia Artificial Traductores: Compiladores e intérpretes Un programa escrito en un lenguaje de alto nivel no puede ser directamente interpretado por la computadora, siendo necesario realizar previamente su traducción a lenguaje máquina. Existen dos tipos de traductores para los lenguajes de alto nivel:

10 Los compiladores traducen el código fuente a código objeto, para todo el programa a la vez (todo el programa completo). El programa fuente suele estar contenido en un fichero, y el programa objeto pasa a ocupar otro fichero. El fichero objeto puede almacenarse en memoria masiva para ser procesado posteriormente. A su vez llevan a cabo optimizaciones del programa (como eliminar variables o constantes no utilizadas, o ciclos inútiles) que permiten que el programa ocupe menos espacio o sea más rápido. Los intérpretes traducen el código fuente línea por línea, sin generar programa objeto, y traduciendo las instrucciones en comandos para el hardware. Son más lentos que los compiladores, puesto que tienen que interpretar una línea cada vez que pasan por ella (en los compiladores cada línea solo se traduce una vez). Existen lenguajes cuyos traductores se idearon como intérpretes (BASIC, LISP,...) Y otros como compiladores (FORTRAN, C, ADA...). No obstante en la actualidad, para un lenguaje dado pueden existir tanto compiladores como intérpretes. 6. INFORMES Lenguajes orientados a objetos. Lenguajes declarativos. Características del lenguajes C++. Características del lenguaje Java. Lenguajes para diseño Web.